Содержание к диссертации
Введение
1. Теплоэнергетические ресурсы севера Нечерноземной зоны ETC 12
1.1. Природные условия формирования теплового и водного режима 12
1.1.1. Орограс|ия 12
1.1.2. Основные черты климата 14
1.1.3. Ботанико-почвенные условия 19
1.1.4. Изученность элементов теплового и водного режима 25
1.2. Теплоэнергетические ресурсы климата и его составляющие 28
1.3. Эквивалент теплоэнергетических ресурсов суммарного испарения и его пространственно-временное распределение 32
2. Водный баланс территории севера Нечерноземья ETC 39
2.1. Ресурсы згвлажнения 41
2.2. Суммарное испарение 48
2.2.1. Обоснование методики воднобалансовых расчетов 48
2.2.2. Суммарное испарение в средний год 55
2.3. Климатический сток 62
2.4. Временная изменчивость элементов водного баланса 68
3. Условия естественного увлажнения и теплообеспеченности 80
3.1. Комплексные показатели увлажнения и теплообеспеченности 80
3.2. Характеристика условий естественного увлажнения и теплообеспеченности 83
3.3. Режим влажности почвы 96
4. Гидромелиоративная характеристика севера Нечерноземья ETC 105
4.1. Основные положения методики определения норм гидромелиорации 106
4.2. Результаты исследования территориального распределения и временной изменчивости норм гидромелиорации 111
4.3. Рекомендации по установлению проектных норм гидромелиорации при двустороннем регулировании водного режима почв 121
4.3.1. Определение весенних предпосевных норм осушения 122
4.3.2. Определение норм гидромелиорации вегетационного периода 125
4.3.3. Учет влияния грунтовых вод при определении норм гидромелиорации вегетационного периода 126
4.4. Пример расчета проектных норм и режимов гидромелиорации 129
4.4.1. Расчет при достаточной изученности естественной увлажненности 129
4.4.2. Расчет при отсутствии гидрометеорологической информации 134
4.5. Гидролого-климатическое районирование севера Нечерноземья ETC 135
4.5.1. Обоснование районирования 136
4.5.2. Структура гидролого-климатического районирования региона 137
4.5.3. Краткая характеристика гидролого-климатических провинций 139
Основные выводы 145
Список литературы 147
Приложения 172
- Теплоэнергетические ресурсы климата и его составляющие
- Временная изменчивость элементов водного баланса
- Характеристика условий естественного увлажнения и теплообеспеченности
- Рекомендации по установлению проектных норм гидромелиорации при двустороннем регулировании водного режима почв
Введение к работе
Актуальность темы» Нечерноземная зона РСФСР играет важную роль в народном хозяйстве республики и страны в целом, в осуществлении Продовольственной программы СССР, намеченной ХХУІ съездом КПСС и утвержденной майским (1982 г.) Пленумом Щ КПСС.
Развернутой целевой программой совершенствования агропромыш- .. ленного комплекса Нечерноземья, в том числе северной его зоны, явилось постановление Щ КПСС и Совета Министров СССР и0 мерах по дальнейшему развитию сельского хозяйства Нечерноземной зоны РСФСР". Оказалось пророческим высказывание академика Н.Й.Вавилова (1931 г.) - "Осеверение земледелия становится одной из первоочередных народнохозяйственных задач".
В связи со сказанным исследование гидролого-климатических условий территории европейского севера с целью выбора направлений и размеров гидромелиорации имеет научный и практический интерес, а поэтому представляется актуальным.
Цель работы состояла в проведении комплексных гидролого-кли-матических исследований естественной тепловлагообеспеченности и разработке рекомендаций по оптимизации водного и теплового режима почв на основе систематизации и анализа имеющегося гидрометеорологического материала по Архангельской, Вологодской областям и Коми АССР.
Основные положения, выносимые на защиту:
- региональные методики определения теплоэнергетических и водных ресурсов процесса суммарного испарения, разработанные на единой методической основе - методе гидролого-климатических расчетов (IKP) профессора В.С.Мезенцева;
- результаты анализа пространственного распределения и временной изменчивости элементов водного баланса, показателей естествен них условий тепловлагообеспеченности и гидромелиоративных характеристик, полученных расчетом на ЭВМ "Минск-32н для среднего многолетнего года и конкретных лет по специальным программам метода ІКР Д95Д97/ и представленных в виде комплекса карт изолиний и фондовых таблиц;
- рекомендации по установлению оптимальных норм гидромелиорации при двустороннем регулировании водного режима почв;
- схема гидролого-климатического районирования исследуемой территории для обоснования направлений и размеров гидротехнических мелиоравдй.
Научная новизна. Исследован комплекс природных условий, формирующих естественное гидролого-климатическое состояние территории северных районов Нечерноземья европейской территории СССР (ETC).
Разработаны методики расчета эквивалентов теплоэнергетических ресурсов климата и суммарного испарения, а также ресурсов суммарного увлажнения.
На массовом расчетном материале выполнены исследования динамики элементов водного баланса и показателей естественной тепловлагообеспеченности в конкретные годы. Установлены закономерности пространственного распределения и временной изменчивости климатических норм гидромелиорации в условиях двустороннего регулирования водного режима почв.
Впервые для изучаемой территории разработан комплекс карт изолиний элементов теплового и водного балансов, характеристик естественного увлажнения и норм гидромелиорации, а также предложена схема гидролого-климатического районирования севера Нечерноземья ETC по условиям естественной тепловлагообеспеченности.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Предлагаемые методики определения элементов водного и теплового балансов и гидромелиоративных характеристик, в основном, до ведены до уровня практических рекомендаций и могут быть использованы при обосновании и проектировании гидромелиоративных мероприятий в северном Нечерноземье ETC.
Результаты исследований обсуждены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях Омского ордена Ленина сельскохозяйственного института (г.Омск, 1978, 1980, 1981, 1982, 1984 гг.), Новочеркасского инженерно-мелиоративного института, институтов ЮжШИГиМ и ЮжГипроводхоз (г.Новочеркасск, 1979 г.), научно-технической конференции молодых специалистов ІУ зоны (г.Челябинск, 1979 г.), зональной научно-практической конференции "Роль науки и передового опыта в повышении эффективности и качества сельскохозяйственного производства" (г.Тюмень, 1979 г.), ІУ симпозиуме по мелиоративной географии (г.Шнск, 1980 г.), Всероссийской научной конференции "Проблемы рационального использования водных ресурсов малых рек" (г.Казань, 1981 г.), научно-производственных конференциях по водохозяйственному строительству в Сибири и Казахстане (г.Омск, 1979, 1983 гг.), семинаре-совещании "Проблемы нормирования и эффективного использования воды в орошаемом земледелии" (г.Херсон, 1982 г.), заседании секции отделения гидротехники и мелиорации ВАСХНИЛ "Осушение и окультуривание минеральных земель гумидной зоны" (г.Саку, 1983 г.), научном семинаре 15 сессии Международных высших гидрологических курсов ЮНЕСКО при МІУ (г.Москва, 1984 г.).
Основное содержание и результаты исследований опубликованы в II работах. Гидролого-климатическая оценка природных особенностей, направлений и размеров гидромелиорации Вологодской области нашла практическое применение в институте "ВологдаГипроводхоз".
Автор считает приятным долгом выразить искреннюю благодарность и признательность научному руководителю заслуженному деятелю науки РСФСР доктору географических наук, профессору Варфоломею Семеновичу Мезенцеву за постоянное внимание и помощь при выполнении дассертацаонной работы.
Теплоэнергетические ресурсы климата и его составляющие
Энергетической базой природных процессов являются теплоэнергетические ресурсы климата, формирующиеся в результате прихода прямой и рассеянной радиации на земную поверхность и обеспечивающие ее влагообмен с приземной атмосферой. Вопросы всестороннего изучения теплоэнергетического баланса земной поверхности получили развитие в трудах А.А.Григорьева ( 76, 77/, М.И.Будыко /42,44,46 /, В.С.Мезенцева Д55,204 /, А.Р.Константинова / 126,127 /, Л.И.Зубенок / 101 7» К.П.Бервзникова 7 27 7» Х.Л.Пенмана (H.L Penman) 7190,267,268 7, С.В.Торнтвейта ( C.W. Tkorntwaite) /2717 и других. Так, согласно работам 7 27,155Д63, 204,2317 и в соответствии со схемой процесса теплообмена участка земной поверхности (рис. 1.2) в формировании теплоэнергетических ресурсов климата участвуют: R + - положительная составляющая радиационного баланса - разность между поглощенной коротковолновой (прямой и рассеянной) радиацией Солнца и балансом длинноволнового излучения в дневные и частично в сумеречные часы суток; Р + - положительная составляющая турбулентного теплообмена - часть адвективного тепла, приносимого,в связи с циркуляцией атмосферного воздуха. Радиационное и адвективное тепло, образуя приходные статьи теплоэнергетического баланса, формируют и расходные его статьи: 0Н - эффективное излучение в ночные часы; LC - тепло конденсации водяных паров воздуха на земной поверх- . ности, несколько компенсирующее эффективное излучение; LZ - расход тепла на испарение; Р - расход тепла на турбулентный теплообмен - на нагревание приземного воздуха; 4 4? - изменение теплосодержания в подстилающей поверхности. Следовательно, закон превращения и сохранения энергии может быть записан в форме уравнения которое справедливо для любого промежутка времени и для любой поверхности, так как учитывает все возможные случаи направлений тепло-потоков. Таким образом, левая часть уравнения (1.4) отражает теплоэнергетические ресурсы климата в данных географических условиях, то есть где LZm- теплоэнергетические ресурсы климата, ккал/см2; Z - удельная (скрытая) теплота испарения, ккал/см3; Zw - водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов климата, мм. Для среднего года, когда (Bf- 82) практически равняется нулю, уравнение (1.5) принимает вид Радиационный фактор оказывает влияние на климат через условия освещения и нагревания земной поверхности. Быстрое увеличение солнечной радиации в весенние месяцы цриводит к резкому усилению влияния радиационного фактора на температурный режим и обеспеченность растений светом и теплом во время активной вегетации.
Ведущая роль в формировании теплоэнергетических ресурсов климата принадлежит радиационному балансу земной поверхности /"70, 193, 215 7 и, в частности, его положительной составляющей. Правомерность использования радиационного баланса R в качестве основной составляющей теплоэнергетических ресурсов климата подтверждается в работах /27,35,91,192,204,255 7. Анализом имеющихся для 13 актинометрических станций исследуе- мой и сопредельных территорий данных по радиационному режиму /"222, 178,179 7 установлена зависимость положительной составляющей от скомпенсированного годового радиационного баланса R г#и Степень тесноты связи R и /?г#и характеризуется коэфипдентом корреляции Z = 0,996 0,001. Средняя квадратическая ошибка при этом составляет 4,61 ккал/см . Для массовых расчетов при исследовании теплоэнергетических ресурсов климата рекомендуем использовать зависимости, полученные с учетом уравнений (I.I) - (1.3) Количественная оценка положительной составляющей турбулентного теплообмена в связи с отсутствием материалов систематических тешюбалансовых наблюдений выполнена с использованием результатов исследований /"23,24,44,163,216,231 ] и рекомендаций В.С.Мезенце-ва и И.В.Кариацввича /164 /. Годовые величины положительной составляющей турбулентного теплообмена для рассматриваемого региона рекомендуем определять по зависимости Выполненные исследования радиационного режима и теплоэнергетических ресурсов климата территорий Архангельской, Вологодской областей и Коми АССР [ 178,179 / позволили установить региональные зависимости и рекомендовать их для определения водного эквивалента теплоэнергетических ресурсов климата где 2 tv_y- сумма среднемесячных температур воздуха за май-август, град. Результаты расчетов по формуле (Ї.І2) обобщены в виде карты изолиний годовых значений эквивалента теплоэнергетических ресур-. сов климата (рис. 1.3). Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов климата на рассматриваемой территории изменяется от 450 до 640 мм в год, что обусловлено возрастанием с севера на юг основной составляющей т - радиационного баланса. Наибольшими тепловыми ресурсами обеспечены сельскохозяйственные районы Вологодской области, где средние годовые значения эквивалента теплоэнергетических ресурсов климата составляют 600-640 мм. По мере продвижения на север величина Z уменьшается и на побережье Печорского моря (Ненецкий автономный округ) достигает минимальных значений - 450-480 мм в год. Широтный характер изолиний Zm на равнинной территории севера Нечерноземья ETC при приближении к Уральскому хребту сменяется на меридиональный
Временная изменчивость элементов водного баланса
Для рационального использования водных ресурсов особый интерес представляет изучение естественных условий формирования ежегодных величин элементов водного баланса и их пространственно-временной изменчивости.
Результаты выполненных по уравнениям метода ІКР /155,186, 196 / исследований за расчетный период с 1936 по 1977 гг. дают представление о динамике элементов водного баланса на перспективных для сельскохозяйственного освоения территориях Архангельской, Вологодской областей и Коми АССР. Расчеты текущих водных балансов позволили количественно охарактеризовать водные ресурсы региона не только в средний многолетний, но и в экстремальные годы (табл. 2.6).
Четкой закономерности в распределении экстремумов годовых и летних сумм общего КХ и суммарного И увлажнений не наблюдается. Отмечена несинхронность наступления максимумов КХг и Нг в различных районах рассматриваемой территории. Важной чертой многолетнего режима увлажнения региона является его значительная неравномерность. Амплитуда колебаний годовых сумм общего увлажнения в рассматриваемый период составляет 300-600 мм на равнинах и увеличивается в предгорных районах Урала до 900 мм. Колебание летних сумм КХ несколько меньше. Повсеместно летние суммы Нл больше КХЛ на 75-200 мм.
Величины расходных статей водного баланса определены расчетом за месячные и годовые интервалы конкретных лет и выявлены годы с экстремальными значениями (табл. 2.7). Анализ хронологических графиков балансовых элементов показал, что характер изменения годовых значений суммарного испарения подобен характеру изменений годовых величин эквивалента теплоэнергетических ресурсов (рис. 2.II). Внутригодовой ход Z в конкретные годы близок к среднему многолетнему. Наибольшие месячные величины суммарного испарения, как и в средний год, приурочены к июлю.
Годовой сток не остается постоянным в многолетний период, так как изменяется соотношение осадков и испарения. Амплитуда многолетних колебаний Уг за период с 1936 по 1977 гг. (см. табл. 2.7) изменяется от 150-300 мм на равнинах Вологодской области и Коми АССР, до 700 мм - в предгорьях Приполярного Урала. Выявленные многоводные и маловодные фазы на реках ETC соответствуют данным А.Г. Пронина и-А.И.Овчинниковой / 199 J\ Рассчитанные значения климатического стока за конкретные годы сопоставлены с материалами гидрометрических наблюдений за стоком (рис. 2.12; 2.13). Отмечается достаточно высокая согласованность модульных коэффициентов и величин стока во времени, что свидетельствует о репрезентативности всех рассчитанных воднобалансовых элементов. Некоторые количественные расхождения Кр и Кн , У% и Ун объясняются тем, что климатический сток характеризует процесс стокообразования только на участке речного бассейна, прилегающем к метеостанции.
Временная изменчивость балансовых элементов оценена коэффициентами вариации С (табл. 2.8). Изменчивость годовых и летних значений И несколько меньше изменчивости общего увлажнения КХ . Это объясняется инерционностью процесса изменения влагозапасов в почве. Наибольшая изменчивость как общего, так и суммарного увлажнения характерна для северных районов Коми АССР и Ненецкого автономного округа. Коэффициенты вариации годовых и летних сумм общего и суммарного увлажнения характеризуются довольно тесной связью (рис, 2.14).
В условиях зоны избыточного увлажнения, к которой относится изучаемый регион, изменчивость суммарного испарения мало отличается от изменчивости эквивалента теплоэнергетических ресурсов суммарного испарения С,- (см. табл. 1.3; рис. 2.15), так как в северных районах европейской территории Союза процесс испарения регламентируется ресурсами тепла. Коэффициенты вариации С изменяются от 0,097 в тундровой зоне до 0,033 на юге Коми АССР.
Характеристика условий естественного увлажнения и теплообеспеченности
Исследование естественных условий увлажнения и теплообеспеченности выполнены на основе воднобалансовых расчетов. Для этого использованы материалы исходной информации по 104 метеопунктам региона. Результаты расчетов комплексных характеристик обобщены в виде карт изолиний и таблиц /184,185/. Распределение относительных показателей суммарного увлажнения ($н и суммарного испарения pz по территории севера Нечерноземья ETC для среднегодового и вегетационного (июнь-август) периодов иллюстрируется рис. З.Ї-3.4.
Наименьшие величины рн « 1,40 (рис, ЗД) и р а 0,88 (рис 3.2) характеризуют увлажненность сельскохозяйственных земель Вологодской области. По мере продвижения на север ETC годовые значения показателей увлажнения возрастают и на территории Ненецкого авто номного округа достигают величин pz « 0,94 и рн. = 1,90.
Определяющее влияние на очертание изолиний оказывает рельеф местности и характер распределения атмосферных осадков (общего увлажнения). Так, на западных предгорьях Урала с ростом увлажнения и высоты местности возрастают и величины относительных показателей ( р - 0,96, рц ES 2,40-2,80). Приведенные данные свидетельствуют о том, что в средний год север Нечерноземной зоны ETC испытывает избыточное увлажнение деятельного слоя почвы. Практически все ресурсы тепла расходуются на процесс испарения ( pz =0,88-0,96). Доли тепла, оставшейся на турбулентный теплообмен, недостаточно, чтобы обеспечить благоприятный термический режим приземного слоя воздуха.
В годовом разрезе наибольшие величины (5Н и fiz относятся к периоду май-июнь (табл. П 2.1), что обусловлено характером накопления влаги в почве. Затем, по мере расходования почвенной влаги и увеличения теплоресурсов, их значения уменьшаются, достигая минимума в августе. В конце теплого периода наблюдается возрастание показателей рн и /3Z .
В вегетационный период закономерности территориального распределения относительных показателей идентичны средним годовым (рис. 3.3; 3.4). И в этот период на территории Архангельской, Вологодской областей и Коми АССР сохраняется увлажнение, превышающее оптимальное.
В результате гидролого-климатических расчетов получены и количественные характеристики диспропорций между ресурсами тепла и влаги, динамика изменения л// и л2 внутри года, как следует из приведенных в таблицах П 2.2 и П 2.3 данных, тесно связана с характером поступления влаги и тепла на деятельную поверхность. Положительные значения 4 Н и л Z указывают на необходимость проведения осушительных мероприятий, отрицательные - увлажнительных. В распределении избытков увлажнения по территории региона как в целом за год (рис. 3.5; 3.6), так и за вегетационный период (рис. 3.7; 3.8) наблюдается закономерность уменьшения их значений с северо-востока на юго-запад. Величины избытков суммарного увлажнения на севере ETC в среднем составляют 125-200 мм за июнь-август и 200-350 мм за год. Наибольшие избытки лН и AZ характерны западным предгорьям Урала, Значения л Нг достигают здесь 350-700 мм. Снижение избытков суммарного увлажнения и суммарного испарения наблюдается в устьях рек Усы, Юга, Вычегды, Сысолы и в районе озер Белое и Кубейское.
Оценка естественных условий увлажнения и теплообеспечен-ности региона как для среднего года, так и для конкретных лет выполнена с помощью комплексных характеристик. Это позволило проследить динамику условий увлажнения за 42-летний период и выявить экстремальные по годовым показателям годы (табл. 3.2).
Рекомендации по установлению проектных норм гидромелиорации при двустороннем регулировании водного режима почв
Как показали результаты исследований, достижение оптимальных условий роста и развития сельскохозяйственных культур на севере европейского Нечерноземья возможно лишь цри одновременном решении вопросов осушения и увлажнения. При этом проектирование систем двустороннего регулирования должно базироваться на комплексной оценке естественных гидролого-климатических условий региона и на научно-обоснованных рекомендациях по расчету норм гидромелиорации. Предлагаемая региональная методика определения норм гидромелиорации разработана на основании закономерностей, выявленных при использовании метода IKP. Для достижения оптимальных условий увлажнения и аэрации деятельного слоя почвы к началу вегетации основных культур необходимо проведение осушительных мероприятий. При наличии исходной метеорологической информации величину средней многолетней климатической нормы осушения МВее любого оптимального уровня увлажнения v0 = і рекомендуется определять по зависимости где z _ , I/ , Кх,х-у максимально возможное испарение (водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов суммарного испарения) , суммарный климатический сток и атмосферные осадки за сентябрь-май, мм. В случае отсутствия данных о Zm _ , Уи-У и Xx/J(_y on-ределение Мвес при осушении до К, = I выполняется по соотношению Характер пространственного распределения средних многолетних весенних норм осушения до V0 - І в северном Нечерноземье ETC представлен на рис. 4.6. Наибольшие размеры весенних предпосевных осушительных мелиорации (до 330 мм) необходимы на сельскохозяйственных землях западных склонов Урала. На равнинной части исследуемой территории климатические нормы осушения составляют 150-175 глм, увеличиваясь до 220 мм на севере Тиманского кряжа. Наименьшие нормы осушения (до 120 мм) рекомендуются в Котласском районе Архангельской области. В табл. П 3.2 приведены проектные значения ве-сонних предпосевных норм осушения /Ия . в разные по увлажнеНИЮ ГОДЫ. При проектировании осушительных мелиорации для установления пропускной способности осушительной сети необходимы значения мак симальных модулей. Определение расчетных максимальных модулей дре нажного стока, исходя из условия достижения к началу вегетации сельскохозяйственных культур требуемого оптимального уровня, вы полняется по формуле где Аф - коэффициент, зависящий от формы кривой сброса дренажных вод ( 4ф = 1,0-3,0); Тс6 - расчетный период интенсивного сброса избытков влаги с осушаемого массива, сут. Формула расчетного модуля позволяет учесть комплекс физико-географических факторов, от которых зависят значения модуля, уровень оптимального осушения почвы и вид кривой сброса. Удаление излишков влаги из почвы к началу вегетационного периода сократит перерасход теплоэнергетических ресурсов на процесс непродуктивного испарения и увеличит приток тепла для прогревания почвы и приземных слоев воздуха.
В целях рационального использования водных ресурсов целесообразно при проектировании осушительно-увлажнительных систем предусмотреть повторное использование дренажного стока для увлажнения сельскохозяйственных культур в засушливые периоды вегетации. Использование дренажных вод по оборотной схеме позволит также предотвратить загрязнение водоемов и использовать выносимые при этом удобрения для поднятия урожайности возделываемых культур. В соответствии с изложенной теоретической основой определения норм гидромелиорации по методу IKP выполнены расчеты средних многолетних и ежегодных избытков и недостатков водного баланса. На основании полученных материалов построены интегральные кривые, по которым установлены проектные значения гидромелиоративных норм вегетационного периода возделываемых культур (табл. П 3.3) с учетом варьирования уровня оптимального увлажнения и при отсутствии подпитывания со стороны грунтовых вод. При этом ориентировочные даты периодов вегетации приняты в соответствии с рекомендациями справочников /"4,5,6,220 7. Результаты исследований показали (табл. П 3.1), что в зависимости от гидролого-климатических условий района наиболее широко распространенным видом гидромелиорации вегетационного периода (июнь-август) является дополнительное увлажнение. Лишь в условиях западных предгорий Урала в этот период среднего года необходимо систематическое осушение.
Пойменные угодья крупных рек и водоемов (озер), используемые в качестве основной кормовой базы животноводства, испытывают потребность в дополнительном увлажнении и в случае необходимости снижения уровня оптимального увлажнения до VQ =0,9 (см. табл. П 3.3). В результате регрессионного анализа полученных данных о Mt L разработана обобщающая расчетная формула /182,183 7, учитывающая требуемый уровень увлажнения v0 и период вегетации t где "IVI - средняя многолетняя гидромелиоративная норма за июнь-август при v0 = I (рис. 4.1, табл. П 3.1); Д , в , с и D -- параметры зависимости гидромелиоративной нормы любого периода вегетации и уровня оптимального увлажнения от гидромелиоративной нормы за июнь-август (табл. П 3.4). Формула (4.15) позволяет рассчитать проектные нормы в случав отсутствия гидрометеорологической информации по объекту мелиорации. В период эксплуатации проектные нормы и режим увлажнения корректируются в зависимости от конкретных условий года.
